Ім'я файлу: Курс лекцій з Біотехнології для заоч.doc
Розширення: doc
Розмір: 491кб.
Дата: 28.05.2020
скачати
Розширення: doc
Розмір: 491кб.
Дата: 28.05.2020
скачати
Лекція 1. Біотехнологія як наука
План
Поняття терміну ”біотехнологія”.
Історія розвитку біотехнології.
Можливості застосування біотехнології. Перспективи розвитку.
Основні напрямки біотехнології та біотехнологічних досліджень.
Об’єкти біотехнології і їх біотехнологічні функції.
1. Поняття терміну ”біотехнологія”
Біотехноло́гія (від грец. bios – життя, techne – мистецтво, майстерність і logos – слово, навчання) – це наука про використання живих організмів чи біологічних процесів у промисловому виробництві. Будь-яке виробництво, в основі якого лежить біологічний процес можна розглядати як біотехнологію. Більш широке визначення біотехнології – це використання живих організмів для потреб людини. З розвитком біотехнології пов’язують вирішення глобальних проблем людства – ліквідацію нестачі продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, поліпшення стану здоров’я людини і стану навколишнього середовища.
Зв’язок біотехнології з іншими науками.
Біотехнологія – міждисциплінарна галузь, яка виникла на стику біологічних, хімічних і технічних наук. Біотехнологія – це комплекс фундаментальних і прикладних наук, технічних засобів, спрямованих на одержання і використання клітин мікроорганізмів, тварин і рослин, а також продуктів їх життєдіяльності: ферментів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків та ін.
Біотехнологія, яка включає промислову мікробіологію, базується на використанні знань і методів біохімії, мікробіології, генетики і хімічної технології, що дає змогу діставати користь у технологічних процесах із властивостей мікроорганізмів та клітинних культур. Більш сучасні біотехнологічні процеси базуються на методах рекомбінантних ДНК, а також на використанні імобілізованих ферментів, клітин і клітинних органел.
2. Історія розвитку біотехнології
З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при випіканні хліба, готуванні кисломолочних продуктів, у виноробстві та пивоварінні. Але лише завдяки роботам Луї Пастера з середини 19 століття традиційна біотехнологія одержала наукову основу.
У 40-50-ті роки 20 ст., коли був здійснений біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисловості.
У 60-70-ті р. 20 ст. почала бурхливо розвиватися клітинна інженерія. Зі створенням у 1972 році групою П. Берга в США першої гібридної молекули ДНК in vitro формально пов’язане народження генетичної інженерії. Вона відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. Ці два напрямки визначили основу нової біотехнології, що має мало загального з тією примітивною біотехнологією, що людина використовувала протягом тисячоріч.
Термін біотехнологія одержав поширення лише в 1970-ті рр. 20 ст. З цього часу біотехнологія нерозривно пов’язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією. За незначний період свого розвитку (40 років) сучасна біотехнологія не тільки домоглася істотних успіхів, але і продемонструвала необмежені можливості використання організмів і біологічних процесів у різноманітних галузях виробництва і народного господарства.
3. Можливості застосування біотехнології. Перспективи розвитку
Центральна проблема біотехнології – інтенсифікація біопроцесів. Існує два шляхи вирішення цієї проблеми:
За рахунок підвищення потенціалу біологічних агентів і їх систем.
За рахунок удосконалення устаткування, застосування біокаталізаторів (імобілізованних ферментів і клітин) у промисловості, аналітичній хімії, медицині.
Біотехнології, засновані на досягненнях мікробіології, найбільш економічно ефективні при комплексному їх застосуванні і створенні безвідходних виробництв, що не порушують екологічної рівноваги. Їх розвиток дозволить замінити багато величезних заводів хімічної промисловості екологічно чистими компактними виробництвами.
Межі застосування біотехнологічних процесів досить широкі. Розглянемо лише деякі з них.
1. В основі промислового використання досягнень біології лежить створення рекомбінантних молекул ДНК. Конструювання потрібних генів дозволяє управляти спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими властивостями. Зокрема, можливе управління процесом фіксації атмосферного азоту і перенесення відповідних генів з клітин мікроорганізмів у геном рослинної клітини. Біотехнологія надає можливість отримувати сорти, захищені від певних різновидів вірусів. Шляхом перенесення маленької частки ДНК від вірусу до генетичної структури рослини, дослідники отримують сорти, у яких є імунітет до певних хвороб. Основою таких досягнень є генна інженерія.
2. Біотехнологія може привнести значні переваги у сферу охорони здоров’я. Збільшуючи поживну цінність їжі, ця наука може використовуватися для покращення якості харчування. Наприклад:
А) Зараз створюються сорти рису та кукурудзи з підвищеним вмістом білків.
Б) Споживачі зможуть скористатися олією із зменшеним вмістом жирів, яку буде отримано з генетично модифікованих кукурудзи, сої, ріпаку.
В) Крім того, генетична інженерія може використовуватися для виробництва продуктів харчування з підвищеним вмістом вітаміну А, що допоможе розв’язати проблему сліпоти у країнах, що розвиваються.
Г) Генетична інженерія також пропонує інші переваги для здоров’я, адже сьогодні створено методи, які дозволяють видаляти певні алергенні протеїни з продуктів харчування або уникати їх передчасного псування.
Д) Крім того біотехнології належить галузь виробництва лікарських препаратів, таких як інсуліну, антибіотиків та інших біологічно активних сполук. Біотехнологія забезпечує нові шляхи лікування хронічних захворювань людини, виробництва хімічних речовин
3. Однією з галузей біотехнології, що бурхливо розвиваються, вважається технологія мікробного синтезу цінних для людини речовин. За прогнозами, подальший розвиток цієї галузі спричинить за собою перерозподіл продукції рослинництва і тваринництва з одного боку, і мікробного синтезу – з іншою, у формуванні продовольчої бази людства. Розвиток біотехнологій пропонує значні потенційні переваги для країн, де понад мільярд жителів планети живуть в бідності та страждають від хронічного голоду. Через зростання врожайності та виведення культур, стійких до хвороб та посухи, біотехнологія може зменшити брак їжі для населення планети, яке станом на 2025 рік складатиме понад 8 мільярдів чоловік, що на 30 % більше ніж сьогодні. Вчені створюють сільськогосподарські культури з новими властивостями, які допомагають їм виживати у несприятливих умовах посух та повеней.
4. Не менш важливим аспектом сучасної мікробіологічної технології є вивчення участі мікроорганізмів у біосферних процесах і направлена регуляція їх життєдіяльності з метою вирішення проблеми охорони навколишнього середовища від техногенних, сільськогосподарських і побутових забруднень. З цією проблемою тісно пов’язані дослідження по встановленню ролі мікроорганізмів у родючості ґрунтів (гумусоутворенні і поповненні запасів біологічного азоту), боротьбі з шкідниками і хворобами сільськогосподарських культур, утилізації пестицидів і інших хімічних сполук у ґрунті. Знання в цій сфері свідчать про те, що зміна стратегії господарської діяльності людини від хімізації до біологізації землеробства виправдовується як з економічної, так і з екологічної точок зору. У даному напрямку перед біотехнологією може бути поставлена мета регенерації ландшафтів.
5. Ведуться роботи із створення біополімерів, які будуть здатні замінити сучасні пластмаси. Ці біополімери мають істотну перевагу перед традиційними матеріалами, оскільки нетоксичні і схильні до біодеградації, тобто легко розкладаються після їх використання, не забруднюючи навколишнє середовище.
6. Важливим і перспективним напрямом біотехнології є розробка способів отримання екологічно чистої енергії (отримання біогазу і етанолу). Одним з принципово нових експериментальних підходів у цьому напрямку є отримання фотоводню. Якщо з хлоропластів виділити мембрани, що містять фотосистему 2, то на світлі відбувається фотоліз води – розкладання на кисень і водень. Моделювання процесів фотосинтезу, що відбуваються в хлоропластах, дозволило б запасати енергію Сонця в цінному паливі – водні. Переваги такого способу отримання енергії:
• наявність надлишку субстрату, води;
• джерело енергії, що не лімітується, – Сонце;
• продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;
• водень має високу теплотворну здатність (29 ккал/г) у порівнянні з вуглеводнями (3,5 ккал/г);
• процес йде при нормальній температурі без утворення токсичних проміжних продуктів;
• процес циклічний, оскільки при використанні водню регенерується субстрат – вода.
Інший механізм перетворення енергії спостерігається у галофітних бактерій Halobacterium halobium, які використовують енергію сонця, що поглинається пурпурним пігментом бактеріородопсином, який знаходиться у мембрані клітин. Поглинання світла викликає хімічні і фізичні зміни в мембрані, що приводять до направленого транспорту протонів водню з одного боку мембрани на іншу і створення електрохімічного градієнта. Наслідком цього є синтез аденозинтрифосфорної кислоти. Дані бактерії можна культивувати в дрібних водоймах з високим вмістом NaCl і інших мінеральних солей. З 10 літрів бактерійної культури можна отримати 0,5 грам мембран, що містять до 100 000 молекул пігменту. Пігмент можна фіксувати на спеціальних підкладках, які мають фізичні і хімічні властивості для транспорту протонів. 7. Відомо також застосування біотехнології при видобуванні корисних копалин. Застосування мікроорганізмів у процесах біовилуговування дозволяє вилучати з руд більший процент металів, ніж іншими методами.
Як джерела сировини для біотехнології все більшого значення набуватимуть відновлювальні ресурси не харчових рослинних матеріалів, відходів сільського господарства, паперової промисловості, нафтоперереробного виробництва, відходів гірських розробок, побутового сміття, які можуть служити додатковим джерелом як кормових речовин, так і вторинного палива (біогазу), органічних добрив.
4. Основні напрямки біотехнології (за галузями)
Біотехнологія знаходить своє застосування у різних галузях промисловості. Залежно від галузі, у якій застосовуються біотехнологічні процеси чи об’єкти розрізняють:
біотехнологію харчових продуктів,
біотехнологію препаратів для сільського господарства,
біотехнологію препаратів і продуктів для промислового і побутового використання,
біотехнологію лікарських препаратів,
біотехнологію засобів діагностики і реактивів,
біотехнологія вилужування і концентрацію металів (біогеотехнологія),
біотехнологія захисту навколишнього середовища від забруднення,
біотехнологія деградації токсичних відходів,
біотехнологія збільшення видобування нафти,
біоенергетика,
біоелектроніка.
Основні напрямки біотехнологічних досліджень:
Розроблення наукових основ створення нових біотехнологій за допомогою методів молекулярної біології, генетичної та клітинної інженерії.
Одержання й використання біомаси мікроорганізмів і продуктів мікробіологічного синтезу.
Вивчення фізико-хімічних та біохімічних основ біотехнологічних процесів.
Використання вірусів для створення нових біотехнологій.
Вивчення закономірностей росту та розвитку клітин.
Розроблення наукових основ створення біосенсорних систем.
5. Об’єкти біотехнології і їх біотехнологічні функції
Біотехнологічні об’єкти та їх ступені організації
Біотехнологічні об’єкти знаходяться на різних ступенях організації:
а) субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК мітохондрій і хлоропластів, ядерна ДНК);
б) бактерії і ціанобактерії;
в) гриби;
г) водорості;
д) найпростіші;
е) культури клітин рослин і тварин;
ж) рослини – нижчі (анабена-азолла) і вищі (ряскові).
Субклітинні структури та культури рослинних і тваринних клітин детально вивчатимуться в розділі «Культури рослинних клітин».
Бактерії і ціанобактерії
Мікроорганізмів, які здатні синтезувати продукти або які здійснюють реакції, корисні для людини, налічують декілька сотень видів. Біотехнологічні функції бактерій різноманітні. Бактерії використовуються при виробництві:
харчових продуктів, наприклад, оцту (Gluconobacter suboxidans), молочнокислих напоїв (Lactobacillus, Leuconostoc) та ін.;
мікробних інсектицидів (Bacillus thuringiensis);
білка (Methylomonas);
вітамінів (Clostridium – рибофлавін);
розчинників і органічних кислот;
біогазу і фотоводню.
Корисні для нас бактерії відносяться до еубактерій. Оцтовокислі бактерії, представлені родами Gluconobacter і Acetobacter, – це грамнегативні бактерії, що перетворюють етанол на оцтову кислоту, а оцтову кислоту у вуглекислий газ і воду. Рід Bacillus відноситься до грампозитивних бактерій, які здатні утворювати ендоспори і мають перитрихіальне джгутикування. B. subtilis – аеробні мікроорганізми, а B. thuringiensis може існувати і в анаеробних умовах. Анаеробні бактерії, що утворюють спори представлені родом Clostridium. C. acetobutylicum зброджують цукри в ацетон, етанол, ізопропанол і n-бутанол (ацетобутанольне бродіння), інші види можуть також зброджувати крохмаль, пектин і різні азотовмісні сполуки.
До молочнокислих бактерій відносяться представники родів Lactobacillus, Leuconostoc і Streptococcus, які не утворюють спор, грампозитивні і нечутливі до кисню. Гетероферментативні молочнокислі бактерії роду Leuconostoc перетворюють вуглеводи на молочну кислоту, етанол і вуглекислий газ. Гомоферментативні молочнокислі бактерії роду Streptococcus продукують тільки молочну кислоту, а бродіння, яке здійснюють представники роду Lactobacillus, дозволяє отримати разом з молочною кислотою ряд різноманітних продуктів.
До бактерій роду Корінебактерії (Corynebacterium), нерухомих грампозитивних клітин, які не утворюють ендоспор, відносяться патогенні (C.diphtheriae, C.tuberculosis) і непатогенні ґрунтові види, що мають промислове значення. С.glutamicum служить джерелом лізину і покращує якість нуклеотидів. Корінебактерії хоч і вважаються факультативними анаеробами, краще ростуть в аеробних умовах. Бактерії використовуються для мікробного вилужування руд і утилізації гірничорудних відходів.
Широко використовується така властивість деяких бактерій, як діазотрофність, тобто здатність до фіксації атмосферного азоту.
Виділяють 2 великі групи діазотрофів:
- симбіоти, що не утворюють кореневих бульб (азотобактер – лишайники; азоспіріллум – лишайники; анабена – лишайники, азолла); що утворюють кореневі бульби (боби – ризобії; вільха, лох, обліпиха – актиноміцети);
- вільноживучі: гетеротрофи (азотобактер, клострідіум, метілобактер), автотрофи (хлоробіум, родоспіріллум і амебобактер).
Мікробні клітки використовують для трансформації речовин.
Бактерії також широко використовуються в генноінженерних маніпуляціях при створенні геномних клонотек, введенні генів у рослинні клітини (агробактерії).
Виробничі штами мікроорганізмів повинні відповідати певним вимогам:
здатність до росту на дешевих поживних середовищах,
висока швидкість росту і утворення цільового продукту,
мінімальне утворення побічних продуктів,
стабільність продуцента відносно виробничих властивостей,
нешкідливість продуцента і цільового продукту для людини і навколишнього середовища.
У зв’язку з цим всі мікроорганізми, що використовуються в промисловості проходять тривалі випробування на нешкідливість для людей, тварин і навколишнє середовище. Важливою властивістю продуцентів є стійкість до інфекції, що необхідно для підтримки стерильності, і фагостійкість.
Всі ціанобактерії мають здатність до азотфіксації, що робить їх перспективними продуцентами білка.
Анабена (Anabaena) – нитчаста синьо-зелена водорость. Нитки з округлих клітин, містять гетероцисти та іноді крупні спори, по всій довжині нитка однакової товщини. У цитоплазмі клітин відкладається близький до глікогену запасний продукт – анабенін. Такі представники ціанобактерій, як носток, спіруліна, тріходесміум їстівні і безпосередньо вживаються в їжу. Носток утворює на неродючих ґрунтах скориночки, які розбухають при зволоженні. У Японії місцеве населення використовує в їжу пласти ностока, які утворюються на схилах вулкана і називає їх ячмінним хлібом Тенгу (Тенгу – добрий гірський дух).
Використовувати спіруліну (Spirulina platensis) почали в Африці – населення району озера Чад давно вживає її в їжу, називаючи цей продукт «діхе». Інше місце, звідки почала розповсюджуватися спіруліна, але іншого вигляду (Spirulina maxima) – води озера Теськоко в Мексиці. Ще ацтеки збирали з поверхні озер і вживали в їжу слизисту масу синьо-зеленої водорості спіруліни. Вперше галети „текуітлатл” згадані іспанцем Кастільо в 1521 р. Ці галети продавалися на базарі в Мехіко і складалися з висушених шарів S.maxima. У 1964 році бельгійський ботанік Ж.Леонар звернув увагу на галети синьо-зеленого кольору, які місцеве населення виготовляло з водоростей, що росли в лужних ставках навколо озера Чад. Ці галети були висушеною масою спіруліни. Аналіз зразків Spirulina показав, що в ній міститься 65% білків (більше, ніж в соєвих бобах), 19% вуглеводів, 6% пігментів, 4% ліпідів, 3% волокон і 3% золи. Для білків цієї водорості характерний збалансований вміст амінокислот. Клітинна стінка цієї водорості добре перетравлюється. Як озеро Теськоко, так і водоймища району озера Чад мають у воді дуже високий вміст лугів. Характерно, що в таких озерах спіруліна повністю домінує і росте майже як монокультура – складає в окремих озерах до 99% загальної кількості водоростей. Росте спіруліна в лужному середовищі при рН аж до 11. Її збирають також з озер біля м. Мехіко, отримуючи до 2 т сухої ваги біомаси водорості за добу, і ця продукція розсилається в США, Японію, Канаду. У інших країнах спіруліну культивують зазвичай у штучних водоймищах або спеціальних ємкостях. Спіруліну можна культивувати у відкритих ставках або, як в Італії, в замкнутій системі з поліетиленових труб. Врожайність дуже висока: отримують до 20 г сухої маси водорості з 1 м2 в день, а розрахунки на рік показали, що вона перевищить вихід пшениці приблизно в 10 разів.
Переваги спіруліни у порівнянні з іншими їстівними водоростями не тільки в простоті культивування, але і в нескладності збору біомаси, висушування її, наприклад, під сонцем. У ряді країн вирощують спіруліну виду Spirulina platensis. Недавно було показано, що в клітинах спіруліни, крім цінного білка, вуглеводів, ліпідів, вітамінів, в значних кількостях запасається, наприклад, така цінна речовина, як полі-b-оксибутират. Вітчизняна фармацевтична промисловість випускає препарат «Сплат» на основі ціанобактерії Spirulina platensis. Він містить комплекс вітамінів і мікроелементів і застосовується як загальнозміцнюючий і імуностимулюючий засіб.
1 2 3 4 5 6 7 8 9